DE3344450C2

DE3344450C2 -

Info

Publication number: DE3344450C2
Application number: DE3344450A
Authority: DE
Inventors: Michel Eudier; Noel Huret; Jean Meunier
Original assignee: Cegedur Societe de Transformation de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Cegedur Societe de Transformation de lAluminium Pechiney SA
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1983-12-08
Publication date: 1987-07-16
Also published as: IT8323992A0; JPS59113138A; CA1187313A; ES8406635A1; IT1169480B; ES527863A0; US4537167A; GB2131457A; BR8306692A; DE3344450A1; CH656184A5; GB2131457B; FR2537655A1; GB8332728D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Mäntel von Verbrennungs motoren oder Brennkraftmaschinen aus einem pulvermetallurgisch erhaltenen Werkstoff auf Basis von Alu minium-Silizium-Legierungen hoher mechanischer Festigkeit. Sie bezieht sich gleichfalls auf einige Verfahren zur Her stellung dieser Mäntel.

Die Motormäntel auf Aluminiumbasis sind nicht neu, jedoch warf ihre Verwendung stets Probleme der Kompatibili tät ihrer Arbeitsoberfläche mit den Bestandteilen von Motoren, wie z. B. den Kolben, auf, die mit ihnen in Kontakt sind. Man versuchte, die angetroffenen Schwierigkeiten auf verschiedene Weise zu überwinden, wie etwa durch Vorsehen einer Hülle aus Stahl, Überziehen der Oberfläche der Bohrung des Zylinders mit härteren Metallen, wie Eisen oder Chrom, ohne sie jedoch vollständig überwinden zu können.

Dann ging man zu Legierungen mit besserer mechanischer Haltbarkeit, wie z. B. den übereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen, über, bemerkte jedoch danach, daß die primären Siliziumkristalle, die beim Gießen des Mantels auftreten, aufgrund ihrer verhältnismäßig großen Abmessung und ihrer winkligen Form eine nachteilige Neigung zum Kratzen der Oberfläche der Kolben hatten und man so gezwungen war, die Oberfläche der letzteren durch einen Überzug zu schützen.

Daher versuchte man danach, da man dennoch bestimmte, durch die Übereutektischen AlSi-Legierungen gebotenen Vorteile nutzen wollte, das Gefüge dieser Legierungen, insbesondere bezüglich der Siliziumkörner, zu ändern, um zu versuchen, ihnen die erforderliche Kompatibilität zu verleihen, ohne Oberflächennachbehandlungen der Kolben vornehmen zu müssen. Unter diesen unternommenen Versuchen sind zu nennen:
einerseits alle diejenigen, die darin bestehen, das Gußgefüge zu modifizieren, wie etwa die in der FR-PS 14 41 860 beschriebenen, wo man einen Säureangriff der Aluminiummatrix vornimmt, um die Siliziumkörner in Reliefform zu bringen, und dann ein Polieren dieser Körner durchgeführt, und
andererseits diejenigen, die das Erhalten eines neuen Gußgefüges bezwecken. Dies ist der Fall in der FR-PS 22 25 534, nach der der Mantel unter solchen Abkühlungsbedingungen gegossen wird, daß er überhaupt keine primäre Silizium phase, sondern im Gegenteil faserige oder sphäroidische Teilchen mit Abmessungen unter 10 µm aufweist.

In neuerer Zeit ist auch die Anmelderin in ihrer FR-PS 23 43 895 zu einem neuen Gefüge von übereutek tischen AlSi-Legierungen übergegangen, wobei sie jedoch das Gießverfahren durch ein Strangpressen von durch Zerstäubung erhaltenen Pulvern ersetzte. Eine solche Technik weist tatsächlich den Vorteil auf, Pulver ein zusetzen, die mit einer hohen Abkühlungsgeschwindigkeit gebildet sind und in denen die Körner von primärem Silizium eine verhältnismäßig kleine Korngröße, und zwar in jedem Fall unter der sich beim herkömmlichen Gießen ergebenden haben. Diese Korngröße wird durch das Strang pressen nicht verändert, und man erhält so ein neues Gefüge, das feine und gut verteilte Siliziumteilchen aufweist, die die Kompatibilität des Mantels mit dem Kolben merklich verbessern.

Man beobachtet jedoch im Lauf der Versuche unter besonders strengen Temperaturbedingungen trotzdem eine Verschlechterung des so hergestellten Mantels.

Aufgrund einer vertieften Untersuchung der Er scheinung stellte die Anmelderin fest, daß dieses schlechte Verhalten auf punktförmige Verschweißungen zwischen Mantel und Kolben zurückzuführen war.

Bei Weiterführung ihrer Untersuchungen berücksichtigte sie die Kriterien einer guten Kompatibilität, nämlich:
eine geeignete Härte des Materials des Mantels, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit bei gleichzeitiger Vermeidung des Auftretens von Kratzern zu haben,
einen verhältnismäßig niedrigen Reibungskoeffizient, um die Relativbewegungen der Teile zueinander zu erleichtern, und eine Eignung zum Nicht-Verschweißen der Materialien unter einander, um jede Oberflächenverschlechterung zu verhindern.

Bei der Untersuchung der verschiedenen Lösungen nach dem Stand der Technik leitete sie daraus ab, daß, wenn die Härte funktion mehr oder weniger gut durch die Teilchen von primärem Silizium erfüllt wurde und wenn die Reibungsfunktion durch Zusatz bestimmter Schmiermittel, wie z. B. Graphit, erreicht war, im Gegensatz dazu die Nichtverschweißfunktion unter den bisher verwendeten Mitteln keine brauchbare Lösung gefunden hatte.

Deshalb beschäftigten sich die Anmelderinnen insbesondere mit dem Problem, ein geeignetes Nichtverschweißmittel zu finden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen solchen Motormantel nebst Herstellungsverfahren zu entwickeln, der alle drei genannten Kriterien, insbesondere die Nichtver schweißeignung, befriedigend erfüllt.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, sind gemäß zwei Alternativen Motormäntel aus einem pulvermetallurgisch erhaltenen Werk stoff auf Basis von AlSi-Legierungen hoher mechanischer Festigkeit, die entweder aus einer Matrix der Gruppe der Legierungen des Typs A-S12 UG ( = 11,5-13% Si, 1-5% Cu, 0,2-1% Mg, Rest Al) oder aus einer Matrix der Gruppe der Legierungen der Serie 7000 ( = 3,5- 8% Zn, 0,7-3% Mg, 0-2,5% Cu, Rest Al), denen 1 bis 12% Silizium zugesetzt sind, 5 bis 15% einer Dispersion von Körnern aus wenigstens, einer intermetal lischen Verbindung, die von den sich in der Matrix-Le gierung bildenden Verbindungen verschieden ist und einen Schmelzpunkt über 700°C hat, sowie 3 bis 10 Gew.-% Graphit bestehen.

Erfindungsgegenstand ist also ein Mantel aus einem Verbundwerkstoff, worin man in einer Matrix auf Basis von Aluminium-Silizium-Legierungen mit hoher mechanischer Festigkeit in je einem bestimmten Mengenbereich Körner einer intermetalli schen Verbindung, d. h. einer chemischen Verbindung von zwei oder mehr Metallen mit ihrem eigenen Kristallsystem, und Graphit findet.

Es ist hervorzuheben, daß diese Dispersion von intermetallischen Verbindungen vom Gefüge- und/oder Zusammensetzungsstandpunkt von derjenigen verschieden ist, die in der Matrix aus Aluminium-Silizium-Legierung vorliegen könnte. Tatsächlich ist es möglich, daß diese Matrix gewisse Elemente enthält, die sich zur Bildung von intermetallischen Verbindungen untereinander im Lauf ihrer Herstellung durch Pulvermetallurgie eignen, doch diese Verbindungen gehören zum eigentlichen Gefüge der Legierung und haben nichts mit den Verbindungen der Erfindung zu tun.

Die Anmelderin fand nämlich, daß nur die Gegenwart einer solchen Verbindung mit einem Schmelzpunkt über 700°C im Gefüge eines Mantels mit Aluminium-Silizium-Legierungsmatrix die Eigenschaft hat, daß sie die Neigung des Mantels, sich örtlich mit dem Kolben zu verschweißen, wenn bestimmte Temperaturgrenzen überschritten werden, stark verringert oder sogar unterdrückt.

Außer ihren Nichtverschweißeigenschaften wurde im Lauf von Versuchen festgestellt, daß diese Verbindungen ermöglichten, in der Weise der Siliziumkörner harte Punkte im Mantel zu schaffen und so seine Verschleiß festigkeit zu verstärken, so daß man von der Anwesen heit primären Siliziums abgehen konnte.

Außerdem stellte man fest, daß diese Verbindungen auch einen guten Reibungskoeffizient aufweisen; sie können so die Rolle des Schmiermittels selbst oder in Verbindung mit Graphit spielen, in welchem Fall sie diesen Eigen schaftstyp unterstützen.

Unter den untersuchten intermetallischen Verbindungen erweist sich das Ni₃Sn, in dem drei Nickelatome mit einem Zinnatom verbunden sind, um Kristalle des hexa gonalen Typs zu bilden, als besonders leistungsfähig sowohl in seinen Funktionen als "Nichtverschweiß"-Mittel als auch als Schmiermittel und verschleißfester Stoff.

Solche Verbindungen werden gleichmäßig in der Masse des Mantels in Form von Körnern verteilt. Jedoch werden diese Körner zur vollen Entwicklung ihrer Wirkungen vorzugsweise kalibriert, d. h. daß sie einer möglichst engen Korngrößenverteilungskurve entsprechen, wobei ihre Abmessungen vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 µm liegen. Man schließt so einerseits die zu feinen Körner, die zum Festfressen der Werkzeuge zum Herstellen der Mäntel führen, und andererseits die zu groben Körner aus, die die Erhöhung des Reibungskoeffizienten verursachen.

Um einen günstigen Kompromiß zwischen den durch jeden der Bestandteile des Mantels herbeigeführten Vorteile zu erhalten, stellte man fest, daß der Anteil von Körnern der intermetallischen Verbindung im Bereich von 5 bis 15% der Masse des Mantels sein soll.

Diese Körner können einen Habitus aufweisen, der als Funk tion ihrer Herstellungsart unterschiedlich ist. So kann man nicht nur durch Zerkleinern hergestellte Körner, sondern auch durch Zerstäuben der Verbindung im flüssigen Zustand erzeugte Körner haben, die hierdurch ein mehr abgerundetes Profil haben.

Um die Schmiereigenschaften des Mantels zu verbessern, enthält sein Gefüge Graphit, dessen Gewichtsanteil im Bereich von 3 bis 10% liegt.

Gegenstand der Erfindung sind auch einige Verfahren zur Her stellung dieser Mäntel nach den Patentansprüchen 5 bis 11.

Diese Verfahren weisen eine erste gemeinsame Verfahrensmaßnahme auf, die darin besteht, die Aluminiumlegierungsmatrix hoher Festigkeit aus dem schmelzflüssigen Zustand zu einem Pulver zu verarbeiten. Dies wird nach allen vorhandenen Verfahren, z. B. durch Zentrifugenzerstäubung, Verdüsung, usw., erreicht. Dieses Pulver wird dann gesiebt, um daraus die Teilchen mit Abmessungen, die nicht zwischen 60 und 400 µm liegen, zu entfernen, und dann mit Körnern einer intermetallischen Verbindung einer Korngröße im Bereich von 5 bis 50 µm und in einer derartigen Menge vermischt, daß sie 5 bis 15 Gew.-% der Masse des Mantels darstellen; man setzt 3 bis 10 Gew.-% Graphit zu. Nach geeigneter Homogeni sierung kann ein solches Gemisch dann auf zwei ver schiedene Weisen, entweder durch Sintern oder durch Strangpressen, verarbeitet werden.

Im Fall der Sinterung wird das Gemisch der Pulver durch Kaltpressen in einer Vertikalpresse oder iso statischen Presse geformt und dann in gesteuerter Atmosphäre gesintert. Der so erhaltene Mantel wird dann zu den geeigneten Abmessungen bearbeitet.

Im Fall des Strangpressens wird das Gemisch in Form von Barren oder nach direktem Einführen in den Topf einer Presse kaltgepreßt und dann in Rohrform nach einem evtl. Vorerhitzen gegenüber der Atmosphäre geschützt strang gepreßt.

Die verwendeten Strangpreßmaschinen sind dem Fachmann an sich bekannt. Es kann sich entweder um ein Brücken werkzeug oder um eine Einheit einer Breitschlitzdüse und einer schwimmenden Nadel handeln. Das so am Ausgang der Presse erhaltene Rohr wird gerichtet und auf die Länge der Mäntel geschnitten, und diese letzteren werden anschließend bearbeitet.

Es ist möglich, ein Abschrecken des Rohres direkt am Austritt aus der Strangpresse vorzunehmen und dann eine Anlaßwärmebehandlung anzuschließen, um die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Mantels zu verbessern.

Das Gemisch kann auch in Form von Blöcken komprimiert werden, die man einem Rückwärtsstrangpressen unterwirft, um Becher zu bilden, von denen man anschließend den Boden und den entgegengesetzten Rand abschneidet, um Mäntel zu gewinnen, die anschließend bearbeitet werden. Es ist auch möglich, ein direktes Abschrecken der Becher nach dem Strangpressen vorzunehmen.

Die Mäntel gemäß der Erfindung finden ihre Anwendung insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie und in jeder Industrieart, wo man danach trachtet, über Mantel-Kolben- Einheiten guter Kompatibilität aus Aluminiumlegierungen zu verfügen.

Claims

1. Motormäntel aus einem pulvermetallurgisch erhaltenen Werkstoff auf Basis von Aluminium-Silizium-Legierungen hoher mechanischer Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Matrix aus Legierungen des Typs A-S12 UG mit 11,5 bis 13% Silizium, 1 bis 5% Kupfer, 0,2 bis 1% Magnesium, Rest Aluminium gemäß französischer Normung, 5 bis 15% einer Dispersion von Körnern aus wenigstens einer intermetallischen Verbindung, die von den sich in der Matrix-Legierung bildenden Ver bindungen verschieden ist und einen Schmelzpunkt über 700°C hat, sowie 3 bis 10% Graphit besteht.

2. Motormäntel aus einem pulvermetallurgisch erhaltenen Werkstoff auf Basis von Aluminium-Silizium-Legierungen hoher mechanischer Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Matrix aus Legierungen der Serie 7000 mit 3,5 bis 8% Zink, 0,7 bis 3% Magnesium, 0 bis 2,5% Kupfer, Rest Aluminium gemäß amerikanischer Normung, denen 1 bis 12% Silizium zugesetzt sind, 5 bis 15% einer Dispersion von Körnern aus wenigstens einer intermetallischen Verbindung, die von den sich in der Matrix-Legierung bildenden Verbindungen verschieden ist und einen Schmelzpunkt über 700°C hat, sowie 3 bis 10% Graphit besteht.

3. Motormäntel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Verbindung Ni₃Sn ist.

4. Motormäntel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Verbindung in Form von Körnern mit Abmessungen im Bereich von 5 bis 50 µm vorliegt.

5. Verfahren zur Herstellung von Motormänteln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung aus dem schmelzflüssigen Zustand zu einem Pulver aus Körnern mit Abmessungen im Bereich von 60 bis 400 µm verarbeitet, dann mit den Körnern der intermetallischen Verbindung in einer Menge von 5 bis 15% vermischt wird, denen 3 bis 10% Graphitpulver zugesetzt werden, und das entstandene Gemisch durch Kaltpressen geformt und danach in ge steuerte Atmosphäre gesintert wird.

6. Verfahren zur Herstellung von Motormänteln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung aus dem schmelzflüssigen Zustand zu einem Pulver aus Körnern mit Abmessungen im Bereich von 60 bis 400 µm verarbeitet, dann mit den Körnern der intermetallischen Verbindung in einer Menge von 5 bis 15% vermischt wird, denen 3 bis 10% Graphit pulver zugesetzt werden, und das entstandene Gemisch in einer zu der aus den Pressen mit schwimmender Nadel und mit Brückenwerkzeug bestehenden Gruppe gehörenden Presse stranggepreßt und daß das erhaltene Erzeugnis nach Richten auf die gewünschte Länge geschnitten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stranggepreßte Erzeugnis am Ausgang der Presse abgeschreckt und danach einer Wärmebehandlung unter worfen wird.

8. Verfahren zur Herstellung von Motormänteln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung aus dem schmelzflüssigen Zustand zu einem Pulver aus Körnern mit Abmessungen im Bereich von 60 bis 400 µm verarbeitet, dann mit den Körnern der intermetallischen Verbindung in einer Menge von 5 bis 15% vermischt wird, denen 3 bis 10% Graphitpulver zugesetzt werden, und das entstandene Gemisch in Form von Metall stücken komprimiert und danach einem Rückwärts strangpressen zur Bildung eines Bechers unterworfen wird, von dem man den Boden und den entgegengesetzten Rand abtrennt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Becher nach dem Strangpressen direkt abgeschreckt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner der intermetallischen Verbindung durch Zerkleinerung der erstarrten Schmelze hergestellt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner der intermetallischen Verbindung durch Erstarrung einer zerstäubten Schmelze hergestellt werden.